Радиоприемник

редактировать
Радиоустройство для приема радиоволн и преобразования их в полезный сигнал Портативный радиоприемник AM / FM с батарейным питанием, используется для прослушивания аудиопередач местных радиостанций. Современный приемник связи, используемый в станциях двусторонней радиосвязи для связи с удаленными местами посредством Коротковолновое радио. Девушка слушает ламповое радио в 1940-х годах. В золотой век радио, 1925-1955, семьи собирались вечером послушать домашний радиоприемник

В радиосвязи, радиоприемник, также известный как приемник, беспроводной или просто радио, представляет собой электронное устройство, которое принимает радиоволны и преобразует информация, переданная ими в удобную для использования форму. Используется с антенной . Антенна улавливает радиоволны (электромагнитные волны ) и преобразует их в крошечные переменные токи, которые прикладываются к приемнику, а приемник извлекает желаемую информацию. Приемник использует электронные фильтры для отделения желаемого радиочастотного сигнала от всех других сигналов, принимаемых антенной, электронный усилитель для увеличения мощности сигнал для дальнейшей обработки, и, наконец, восстанавливает желаемую информацию посредством демодуляции.

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, которые используют радио. Информация, создаваемая приемником, может быть в форме звука, движущихся изображений (телевидение ) или цифровых данных. Радиоприемник может быть отдельным элементом электронного оборудования или электронной схемой в другом устройстве. Наиболее знакомый тип радиоприемника для большинства людей - это радиоприемник, который воспроизводит звук, передаваемый радиостанциями, исторически первым радиоприложением для массового рынка. Радиоприемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются в других областях современной техники, в телевизорах, сотовых телефонах, беспроводных модемах и других компонентах связи, дистанционного управления и беспроводные сетевые системы.

Содержание

  • 1 Радиоприемники для радиовещания
    • 1.1 Типы модуляции
      • 1.1.1 AM и FM
      • 1.1.2 Цифровое аудиовещание (DAB)
    • 1.2 Прием
    • 1.3 Типы вещания приемник
  • 2 Другие приложения
  • 3 Как работают приемники
    • 3.1 Основные функции приемника
      • 3.1.1 Полосовая фильтрация
      • 3.1.2 Усиление
      • 3.1.3 Демодуляция
    • 3.2 Настроен приемник радиочастот (TRF)
    • 3.3 Супергетеродинный дизайн
    • 3.4 Автоматическая регулировка усиления (AGC)
  • 4 История
    • 4.1 Эпоха искр
      • 4.1.1 Приемник Coherer
      • 4.1.2 Другие ранние детекторы
      • 4.1.3 Настройка
        • 4.1.3.1 Индуктивная связь
        • 4.1.3.2 Патентные споры
      • 4.1.4 Кристаллический радиоприемник
      • 4.1.5 Гетеродинный приемник и BFO
    • 4.2 Эпоха электронных ламп
      • 4.2.1 Первые ламповые приемники
      • 4.2.2 Регенеративный (автодинный) приемник
      • 4.2.3 Суперрегенеративный приемник
      • 4.2.4 TRF-приемник
      • 4.2.5 Нейтродинный приемник
      • 4.2.6 Приемник Reflex
      • 4.2.7 Супергетеродинный приемник
    • 4.3 Эпоха полупроводников
      • 4.3. 1 Портативные радиоприемники
      • 4.3.2 Цифровая технология
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература

Радиоприемники для радиовещания

Самая известная форма радиоприемника - радиовещание приемник, часто называемый просто радио, который принимает аудиопрограммы, предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанциями. Звук воспроизводится либо с помощью динамика в радио, либо с помощью наушников, которые подключаются к разъему на радио. Радиоприемнику требуется электричество, обеспечиваемое либо батареями внутри радиостанции, либо шнуром питания, который подключается к электрической розетке. Все радиостанции имеют регулятор громкости для регулировки громкости звука и некоторый тип регулятора «настройки» для выбора радиостанции для приема.

Типы модуляции

Модуляция - это процесс добавления информации к радио несущей.

AM и FM

В аналоговом радио используются два типа модуляции. системы вещания; AM и FM.

В амплитудной модуляции (AM) мощность радиосигнала изменяется звуковым сигналом. AM-вещание разрешено в диапазонах AM-вещания, которые находятся между 148 и 283 кГц в длинноволновом диапазоне и между 526 и 1706 кГц в среднечастотный (MF) диапазон радиоспектра. AM-вещание также разрешено в коротковолновых диапазонах, примерно между 2,3 и 26 МГц, которые используются для международного вещания на большие расстояния.

В частотной модуляции (FM) частота радиосигнала слегка изменяется звуковым сигналом. FM-вещание разрешено в диапазонах FM-вещания между примерно 65 и 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (VHF). Точные диапазоны частот несколько различаются в разных странах.

FM стерео радиостанции вещают в стереофоническом звуке (стерео), передавая два звуковых канала, представляющих левый и правый микрофоны. Стереоресивер содержит дополнительные цепи и параллельные тракты сигналов для воспроизведения двух отдельных каналов. Напротив, монофонический приемник принимает только один аудиоканал, который представляет собой комбинацию (сумму) левого и правого каналов. Хотя передатчики и приемники AM стерео существуют, они не достигли популярности FM-стерео.

Большинство современных радиостанций могут принимать радиостанции AM и FM и имеют переключатель для выбора диапазона для приема; они называются радиоприемниками AM / FM.

Цифровое аудиовещание (DAB)

Цифровое аудиовещание (DAB) - это передовая радиотехнология, которая дебютировала в некоторых странах в 1998 году, которая передает звук с наземных радиостанций в виде цифрового сигнала, а не аналоговый сигнал, как это делают AM и FM. Его преимущества заключаются в том, что DAB может обеспечить более высокое качество звука, чем FM (хотя многие станции не выбирают передачу с таким высоким качеством), имеет большую устойчивость к радиошумам и помехам, лучше использует редкие радиоспектр пропускная способность и предоставляет расширенные пользовательские функции, такие как электронная программа передач, спортивные комментарии и слайд-шоу изображений. Его недостаток в том, что он несовместим с предыдущими радиостанциями, поэтому необходимо приобретать новый приемник DAB. По состоянию на 2017 год 38 стран предлагают DAB, при этом 2100 станций обслуживают зоны прослушивания с населением 420 миллионов человек. Большинство стран планируют в конечном итоге переход с FM на DAB. Соединенные Штаты и Канада отказались от внедрения DAB.

Радиостанции DAB работают иначе, чем станции AM или FM: одна радиостанция DAB передает сигнал с шириной полосы 1500 кГц, который передает от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Радиовещательные компании могут передавать канал с разными битовыми скоростями, поэтому разные каналы могут иметь разное качество звука. В разных странах станции DAB вещают либо в диапазоне III (174–240 МГц), либо в диапазоне L (1,452–1,492 ГГц).

Прием

Уровень сигнала радиоволн уменьшается по мере удаления от передатчика, поэтому радиостанция может приниматься только в пределах ограниченного диапазона своего передатчика. Диапазон зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферных и внутренних шумов, а также любых географических препятствий, таких как холмы между передатчиком и приемником. Радиоволны диапазона AM распространяются как земные волны, которые повторяют контур Земли, поэтому радиостанции AM могут быть надежно приняты на расстоянии в сотни миль. Радиосигналы диапазона FM из-за своей более высокой частоты не могут выходить далеко за пределы визуального горизонта; ограничивает расстояние приема примерно 40 милями (64 км) и может быть заблокировано холмами между передатчиком и приемником. Однако FM-радио менее восприимчиво к помехам от радиопомех (RFI, sferics, статический) и имеет более высокую точность ; лучше АЧХ и меньше искажений звука, чем AM. Итак, во многих странах серьезную музыку транслируют только FM-станции, а AM-станции специализируются на радионовостях, разговорном радио и спорте. Как и FM, сигналы DAB проходят по линии прямой видимости, поэтому расстояния приема ограничиваются визуальным горизонтом примерно до 30–40 миль (48–64 км).

Типы радиоприемников

Прикроватные радиочасы, сочетающие радиоприемник с будильником

Радиоприемники бывают разных стилей и функций:

Другие приложения

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радио. Помимо радиоприемников, описанных выше, радиоприемники используются в огромном разнообразии электронных систем современной техники. Это может быть отдельный элемент оборудования (радио) или подсистема, встроенная в другие электронные устройства. Приемопередатчик - это передатчик и приемник, объединенные в один блок. Ниже приведен список нескольких наиболее распространенных типов, организованных по функции

  • Прием широковещательного телевидения - Телевизоры принимают видеосигнал, представляющий движущееся изображение, состоящее из последовательности неподвижных изображений, и синхронизированный аудиосигнал , представляющий связанный звук. Телеканал , принимаемый телевизором, занимает более широкую полосу, чем аудиосигнал, от 600 кГц до 6 МГц.
  • Двусторонняя голосовая связь - двусторонняя радиосвязь представляет собой аудио приемопередатчик, приемник и передатчик в том же устройстве, используемом для двунаправленной голосовой связи между людьми. Линия радиосвязи может быть полудуплексной с использованием одного радиоканала, в котором только одна радиосвязь может передавать одновременно. поэтому разные пользователи по очереди разговаривают, нажимая кнопку push to talk на своей радиостанции, которая включает передатчик. Или радиоканал может быть полнодуплексным, двунаправленным каналом, использующим два радиоканала, чтобы оба человека могли разговаривать одновременно, как в сотовом телефоне.
    • Мобильный телефон - портативный телефон, который подключен к телефонной сети с помощью радиосигналов, передаваемых через локальную антенну, называемую вышкой сотовой связи. Мобильные телефоны имеют высокоавтоматизированные цифровые приемники, работающие в диапазоне УВЧ и СВЧ, которые принимают входящую сторону дуплексного голосового канала, а также канал управления, который обрабатывает вызовы и переключает телефон между вышками сотовой связи. Обычно у них также есть несколько других приемников, которые соединяют их с другими сетями: модем WiFi, модем bluetooth и приемник GPS. Вышка сотовой связи оснащена сложными многоканальными приемниками, которые принимают сигналы от многих сотовых телефонов одновременно.
    • Беспроводной телефон - стационарный телефон, в котором переносной телефон соединяется с остальная часть телефона по радиоканалу ближнего действия дуплекс, а не через шнур. И трубка, и базовая станция имеют радиоприемники, работающие в UHF диапазоне, которые принимают двунаправленную дуплексную радиосвязь ближнего действия.
    • Гражданское радио - двусторонняя полудуплексная радиостанция, работающая в диапазоне 27 МГц, которую можно использовать без лицензии. Они часто устанавливаются в транспортных средствах и используются водителями грузовиков и службами доставки.
    • Walkie-talkie - портативная полудуплексная радиостанция ближнего действия.
    • Ручной сканер Сканер - a приемник, который непрерывно отслеживает несколько частот или радиоканалов, многократно переходя по каналам, кратко прослушивая каждый канал для передачи. Когда передатчик найден, приемник останавливается на этом канале. Сканеры используются для мониторинга частот полиции, пожарных и скорой помощи, а также других частот двусторонней радиосвязи, таких как гражданский диапазон. Возможности сканирования также стали стандартной функцией приемников связи, раций и других двусторонних радиостанций.
    • Современный приемник связи, ICOM RC-9500 Приемник связи или коротковолновый приемник - аудиоприемник общего назначения, охватывающий LF, MF, коротковолновый (HF ) и VHF диапазоны. Используется в основном с отдельным коротковолновым передатчиком для двусторонней голосовой связи на станциях связи, любительских радиостанциях и для прослушивания на коротких волнах.
  • односторонней (симплексной) голосовой связи
    • Беспроводной микрофон приемник - принимает сигнал ближнего действия от беспроводных микрофонов, используемых на сцене музыкальными артистами, ораторами и телеведущими.
    • радионяня. Приемник находится слева Радионяня - это устройство для детской кроватки для матерей младенцев, которое передает звуки ребенка на приемник, который несет мать, чтобы она могла следить за ребенком, пока он находится в других частях помещения. дом. Многие радионяни оснащены видеокамерами, чтобы показывать изображение ребенка.
  • Передача данных
    • Беспроводной (WiFi) модем - автоматический передатчик и приемник цифровых данных ближнего действия на портативном беспроводном устройстве, которое взаимодействует с помощью микроволн. с ближайшей точкой доступа, маршрутизатором или шлюзом, соединяющим портативное устройство с локальной компьютерной сетью (WLAN ) для обмена данными с другими устройствами.
    • Модем Bluetooth - приемопередатчик данных с очень малым радиусом действия (до 10 м) 2,4–2,83 ГГц на портативном беспроводном устройстве, используемый в качестве замены проводного или кабельного соединения, в основном для обмена файлами между портативными устройствами и подключения мобильных телефонов и музыкальные плееры с беспроводными наушниками.
    • СВЧ-реле - канал передачи данных точка-точка с высокой пропускной способностью на большие расстояния, состоящий из тарелочной антенны и передатчика, который передает луч микроволн на другую тарелочную антенну и приемник. Поскольку антенны должны находиться в прямой видимости, расстояния ограничены видимым горизонтом до 30-40 миль. Микроволновые каналы используются для передачи данных частного бизнеса, глобальных компьютерных сетей (WAN) и телефонных компаний для передачи телефонных звонков и телевизионных сигналов на расстояние между городами.
  • Спутниковая связь - Спутники связи используются для передачи данных между удаленными друг от друга точками на Земле. Другие спутники используются для поиска и спасания, дистанционного зондирования, прогнозов погоды и научных исследований. Радиосвязь со спутниками и космическим кораблем может включать очень большие расстояния: от 35 786 км (22 236 миль) для геосинхронных спутников до миллиардов километров для межпланетных космический корабль. Это, а также ограниченная мощность передатчика космического корабля означают, что необходимо использовать очень чувствительные приемники.
  • Дистанционное управление - Дистанционное управление Приемники получают цифровые команды, управляющие устройством, которое может быть столь же сложным, как космический аппарат или беспилотный летательный аппарат, или так же просто, как устройство открывания ворот гаража . Системы дистанционного управления часто также включают канал телеметрии для передачи данных о состоянии управляемого устройства обратно контроллеру. Радиоуправляемая модель и другие модели включают многоканальные приемники в моделях автомобилей, лодок, самолетов и вертолетов. Система ближнего радиуса действия используется в системах бесключевого доступа.
  • Радиолокация - это использование радиоволн для определения местоположения или направления объекта.
    • Радар - устройство, передающее узкий луч микроволн, отражающийся от цели обратно в приемник, используемый для определения местоположения таких объектов, как самолеты, космические корабли, ракеты, корабли или наземные транспортные средства. Отраженные волны от цели принимаются приемником, обычно подключенным к той же антенне, указывающим направление на цель. Широко используется в авиации, судоходстве, навигации, прогнозировании погоды, космических полетах, транспортных средствах в системах предотвращения столкновений и в вооруженных силах.
    • Приемник глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), например Приемник GPS, используемый с глобальной системой позиционирования США - наиболее широко используемым электронным навигационным устройством. Автоматический цифровой приемник, который одновременно принимает сигналы данных с нескольких спутников на низкой околоземной орбите. Используя чрезвычайно точные сигналы времени, он вычисляет расстояние до спутников и, исходя из этого, местоположение приемника на Земле. Приемники GNSS продаются как портативные устройства, а также входят в состав сотовых телефонов, транспортных средств и оружия, даже артиллерийских снарядов.
    • VOR приемник - навигационный прибор на самолете, который использует сигнал VHF от VOR навигационные маяки между 108 и 117,95 МГц для очень точного определения направления на маяк для аэронавигации.
    • приемник слежения за дикими животными - приемник с направленной антенной, используемый для отслеживания диких животных, которые были помечены с небольшим УКВ-передатчиком для охраны дикой природы.
  • Другой

Принцип работы приемника

Символ для антенна

Радиоприемник подключен к антенне, которая преобразует часть энергии входящей радиоволны в крошечную радиочастоту переменный ток напряжение, которое применяется ко входу приемника. Антенна обычно состоит из металлических проводов. Колеблющиеся электрическое и магнитные поля радиоволны толкают электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательное напряжение.

Антенна может быть заключена в корпус приемника, как в случае рамочных ферритовых антенн в AM-радио и плоской перевернутой F-антенны в сотовые телефоны; прикреплены к внешней стороне приемника, как в случае штыревых антенн, используемых в FM-радио, или установлены отдельно и подключены к приемнику с помощью кабеля, как в случае крышных телевизионных антенн и спутниковые антенны.

Основные функции приемника

Практические радиоприемники выполняют три основные функции с сигналом от антенны: фильтрация, усиление и демодуляция :

Полосовая фильтрация

Символ для полосового фильтра, используемого в блок-схемах радиоприемников

Радиоволны от многих передатчиков проходят через эфир одновременно, не мешая каждому другие и принимаются антенной. Их можно разделить в приемнике, поскольку они имеют разные частоты ; то есть радиоволна от каждого передатчика колеблется с разной скоростью. Чтобы выделить полезный радиосигнал, полосовой фильтр пропускает частоту нужной радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.

Полосовой фильтр состоит из одной или нескольких резонансных цепей (настроенных цепей). Резонансный контур включен между антенным входом и землей. Когда входящий радиосигнал находится на резонансной частоте, резонансный контур имеет высокий импеданс, и радиосигнал от нужной станции передается на следующие каскады приемника. На всех других частотах резонансный контур имеет низкий импеданс, поэтому сигналы на этих частотах передаются на землю.

  • Пропускная способность и избирательность : см. Графики. Информация (модуляция ) при радиопередаче содержится в двух узких полосах частот, называемых боковыми полосами (SB) по обе стороны от несущей частоты (C), поэтому фильтр должен пропускать полосу частот, а не только одну частоту. Полоса частот, принимаемая приемником, называется его полосой пропускания (PB), а ширина полосы пропускания в килогерцах называется шириной полосы (BW). Полоса пропускания фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы пропускать боковые полосы без искажений, но достаточно узкой, чтобы блокировать любые мешающие передачи на соседних частотах (например, S2 на схеме). Способность приемника отклонять нежелательные радиостанции, близкие по частоте к желаемой станции, является важным параметром, называемым избирательностью, определяемым фильтром. В современных приемниках кварцевый кристалл, керамический резонатор или фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) часто используются фильтры, которые обладают большей избирательностью по сравнению с сетями настроенных конденсатор-индуктор. схемы.
  • Настройка : Для выбора конкретной станции радио "настраивается" на частоту желаемого передатчика. Радиоприемник имеет циферблат или цифровой дисплей, на котором отображается частота, на которую оно настроено. Настройка - это настройка частоты полосы пропускания приемника на частоту желаемого радиопередатчика. Поворот ручки настройки изменяет резонансную частоту настроенного контура. Когда резонансная частота равна частоте радиопередатчика, настроенный контур колеблется в согласии, передавая сигнал остальной части приемника.
частотный спектр типичного радиосигнала от AM или FM-радиопередатчик. Он состоит из компонента (C) на несущей частоте f C, с модуляцией, содержащейся в узких полосах частот, называемых боковыми полосами (SB) чуть выше и ниже несущей. (правый график) Как полосовой фильтр выбирает один радиосигнал S1 из всех радиосигналов, принимаемых антенной. Сверху на графиках показано напряжение от антенны, приложенное к фильтру V в, передаточная функция фильтра T и напряжение на выходе фильтра V <270.>out как функция частоты f. Передаточная функция T - это количество сигнала, проходящего через фильтр на каждой частоте:. V out (f) = T (f) V in (f) {\ displaystyle V_ {out} (f) = {\ text {T}} (f) V_ {in} (f)}{\ displaystyle V_ {out} (f) = {\ text {T}} (f) V_ {in} (f)}

Усиление

Символ для усилителя

Мощность радиоволн, принимаемых приемной антенной, уменьшается с увеличением квадрат его расстояния от передающей антенны. Даже с мощными передатчиками, используемыми на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, перехватываемая антенной приемника, очень мала, возможно, всего пиковатт или фемтоватт.. Чтобы увеличить мощность восстановленного сигнала, схема усилителя использует электроэнергию от батарей или сетевой вилки для увеличения амплитуды (напряжения или тока) сигнала. В большинстве современных приемников электронные компоненты, которые выполняют фактическое усиление, представляют собой транзисторы.

. Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем аудиосигнал демодулятора усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительностью, который представляет собой минимальную мощность сигнала станции на антенне, измеряемую в микровольтах, необходимую для приема сигнал четкий, с определенным отношением сигнал / шум. Поскольку сигнал легко усилить до любой желаемой степени, предел чувствительности многих современных приемников - это не степень усиления, а случайный электронный шум, присутствующий в цепи, который может заглушить слабое радио. сигнал.

Демодуляция

Символ для демодулятора

После фильтрации и усиления радиосигнала приемник должен извлечь информационный сигнал модуляции из модулированной радиочастоты несущая волна. Это выполняется схемой, называемой демодулятором (детектором ). Для каждого типа модуляции требуется демодулятор различного типа

Многие другие типы модуляции также используются для специализированных целей.

Сигнал модуляции, выводимый демодулятором, обычно усиливается для увеличения его мощности, затем информация преобразуется обратно в форму, пригодную для использования человеком, с помощью какого-либо типа преобразователя. аудиосигнал, представляющий звук, как в радиовещании, преобразуется в звуковые волны с помощью наушников или громкоговорителей. Видеосигнал , представляющий движущиеся изображения, как в телевизионном приемнике , преобразуется в свет с помощью дисплея . Цифровые данные, как и в беспроводном модеме, применяются в качестве входных данных для компьютера или микропроцессора, который взаимодействует с людьми-пользователями.

AM-демодуляция
Схема детектора огибающей Принцип работы детектора огибающей
Самый простой для понимания тип демодуляции - AM-демодуляция, используемая в AM-радио для восстановления звука сигнал модуляции, который представляет звук и преобразуется в звуковые волны с помощью динамика радио. Это осуществляется схемой, называемой детектором огибающей (см. Схему), состоящей из диода (D) с байпасным конденсатором (C) на его выходе.
См. Графики. Амплитудно-модулированный радиосигнал от настроенной схемы показан в (A). Быстрые колебания - это радиочастота несущая волна. Аудиосигнал (звук) содержится в медленных вариациях (модуляция ) амплитуды (размера) волн. Если он был применен непосредственно к динамику, этот сигнал не может быть преобразован в звук, потому что отклонения звука одинаковы по обе стороны от оси, в среднем до нуля, что не приведет к чистому движению диафрагмы динамика. (B) Когда этот сигнал подается как вход V I в детектор, диод (D) проводит ток в одном направлении, но не в противоположном, таким образом пропуская импульсы тока только на одной стороне сигнал. Другими словами, он выпрямляет переменный ток в пульсирующий постоянный ток. Результирующее напряжение V O, приложенное к нагрузке R L, больше не имеет среднего нуля; его пиковое значение пропорционально звуковому сигналу. (C) Шунтирующий конденсатор (C) заряжается импульсами тока от диода, и его напряжение следует пикам импульсов, огибающей звуковой волны. Он выполняет функцию сглаживания (фильтрация нижних частот ), удаляя радиочастотные импульсы несущей, оставляя звуковой сигнал низкой частоты проходить через нагрузку R L. Звуковой сигнал усиливается и подается на наушники или динамик.

Настроенный радиочастотный приемник (TRF)

Блок-схема настроенного радиочастотного приемника. Чтобы достичь достаточной избирательности для отбрасывания станций на соседних частотах, необходимо было использовать несколько каскадных каскадов полосового фильтра. Пунктирная линия указывает, что полосовые фильтры должны быть настроены вместе.

В простейшем типе радиоприемника, называемом настроенным радиочастотным (TRF) приемником, три вышеуказанные функции выполняются последовательно: (1) смесь радиосигналов от антенны фильтруется для выделения сигнала желаемого передатчика; (2) это колебательное напряжение передается через радиочастотный (RF) усилитель, чтобы увеличить его силу до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает сигнал модуляции (который в широковещательных приемниках представляет собой аудиосигнал , напряжение, колеблющееся со скоростью звуковой частоты, представляющей звуковые волны) от модулированной радио несущей волны ; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудиоусилителе, затем подается на громкоговоритель или наушник для преобразования его в звуковые волны.

Хотя приемник TRF используется в нескольких приложениях, он имеет практические недостатки, которые делают его хуже супергетеродинного приемника, указанного ниже, который используется в большинстве приложений. Недостатки связаны с тем, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается с увеличением его центральной частоты, поэтому, поскольку приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Наиболее важно то, что возрастающая перегрузка радиоспектра требует, чтобы радиоканалы располагались очень близко друг к другу по частоте. Чрезвычайно сложно создать фильтры, работающие на радиочастотах с достаточно узкой полосой пропускания, чтобы разделить близко расположенные радиостанции. Приемники TRF обычно должны иметь много каскадных ступеней настройки для достижения адекватной селективности. В разделе Преимущества ниже описано, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.

Супергетеродинный дизайн.

Блок-схема супергетеродинного приемника. Пунктирная линия указывает на то, что ВЧ-фильтр и гетеродин должны настраиваться в тандеме.

Супергетеродинный приемник , изобретенный в 1918 году Эдвином Армстронгом, используется почти во всех современных приемники, за исключением нескольких специализированных приложений.

В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны смещается вниз до более низкой «промежуточной частоты » (IF), перед обработкой. Входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым гетеродином (LO) в приемнике. Смешивание осуществляется в нелинейном контуре, который называется «смеситель ». Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице между этими двумя частотами. Этот процесс аналогичен тому, как две музыкальные ноты на разных частотах, играемые вместе, создают ноту ударов. Эта более низкая частота называется промежуточной частотой (IF). Сигнал ПЧ также содержит всю информацию, которая присутствовала в исходном радиочастотном сигнале. Сигнал ПЧ проходит через каскады фильтра и усилителя, затем демодулируется в детекторе, восстанавливая исходную модуляцию.

Приемник легко настраивается; чтобы получить другую частоту, нужно только изменить частоту гетеродина. Каскады приемника после смесителя работают на фиксированной промежуточной частоте (ПЧ), поэтому полосовой фильтр ПЧ не нужно настраивать на разные частоты. Фиксированная частота позволяет современным приемникам использовать сложные кварцевые, керамические резонаторы или фильтры ПЧ на поверхностных акустических волнах (SAW) с очень высокой добротностью . коэффициенты для повышения селективности.

RF-фильтр на передней панели приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на частоте изображения. Без входного фильтра приемник может принимать входящие радиочастотные сигналы на двух разных частотах. Приемник может быть разработан для приема на любой из этих двух частот; если приемник предназначен для приема на одной частоте, любая другая радиостанция или радиопомехи на другой частоте могут проходить и мешать полезному сигналу. Единственный настраиваемый каскад радиочастотного фильтра отклоняет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное подавление. Подавление мешающих сигналов, намного более близких по частоте к полезному сигналу, обрабатывается множеством резко настроенных каскадов усилителей промежуточной частоты, которым не нужно изменять свою настройку. Этот фильтр не требует большой избирательности, но поскольку приемник настроен на разные частоты, он должен «отслеживать» вместе с гетеродином. Радиочастотный фильтр также служит для ограничения полосы пропускания, применяемой к радиочастотному усилителю, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием.

Для достижения хорошего подавления изображения и селективности многие современные супергетеродинные приемники используют две промежуточные частоты; это называется супергетеродином с двойным преобразованием или двойным преобразованием. Поступающий радиочастотный сигнал сначала смешивается с одним сигналом гетеродина в первом смесителе, чтобы преобразовать его в высокую частоту ПЧ, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем эта первая ПЧ смешивается со вторым сигналом гетеродина во втором смесителе. микшер для преобразования его в низкую частоту ПЧ для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые приемники даже используют тройное преобразование.

За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает преимущество большей избирательности, чем может быть достигнуто с помощью конструкции TRF. Если используются очень высокие частоты, только начальный каскад приемника должен работать на самых высоких частотах; остальные каскады могут обеспечивать большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми, возможно, будет легче управлять. Настройка упрощена по сравнению с многоступенчатой ​​конструкцией TRF, и требуется отслеживать только две ступени в диапазоне настройки. Общее усиление приемника делится между тремя усилителями на разных частотах; усилитель ВЧ, ПЧ и звука. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитными колебаниями, которые встречаются в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF.

Самым важным преимуществом является то, что лучше Селективность может быть достигнута путем фильтрации на более низкой промежуточной частоте. Одним из наиболее важных параметров приемника является его полоса пропускания, диапазон частот, который он принимает. Чтобы подавить помехи от соседних станций или шум, требуется узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на нижнем f IF {\ displaystyle f _ {\ text {IF}} \,}{\ displaystyle f _ {\ text {IF}} \,} , а не частота исходного радиосигнала f RF {\ displaystyle f _ {\ text {RF}} \,}{\ displaystyle f _ {\ text {RF} } \,} , может быть достигнута более узкая полоса пропускания. Современное FM- и телевизионное вещание, мобильные телефоны и другие услуги связи с их узкой шириной канала были бы невозможны без супергетеродина.

Автоматическая регулировка усиления (AGC)

мощность сигнала (амплитуда ) радиосигнала от антенны приемника сильно различается на порядки величины в зависимости от того, как далеко находится радиопередатчик, насколько он мощный и распространение условия на пути распространения радиоволн. Сила сигнала, принимаемого от данного передатчика, изменяется со временем из-за изменения условий распространения на пути, по которому проходит радиоволна, таких как многолучевые помехи ; это называется затуханием. В AM-приемнике амплитуда аудиосигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому замирание вызывает колебания громкости. Кроме того, поскольку ресивер настроен между сильными и слабыми станциями, громкость звука из динамика будет сильно отличаться. Без автоматической системы управления этим в AM-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.

С другими типами модуляции, такими как FM или FSK, амплитуда модуляции не зависит от мощности радиосигнала, но для всех типов демодулятор требует определенного диапазона амплитуды сигнала для правильной работы. Недостаточная амплитуда сигнала вызовет увеличение шума в демодуляторе, а чрезмерная амплитуда сигнала вызовет перегрузку (насыщение) каскадов усилителя, вызывая искажение (ограничение) сигнала.

Таким образом, почти все современные приемники включают систему управления обратной связью, которая отслеживает средний уровень радиосигнала на детекторе и регулирует усиление усилителей, чтобы обеспечить оптимальный уровень сигнала для демодуляции. Это называется автоматической регулировкой усиления (AGC). AGC можно сравнить с механизмом адаптации к темноте в человеческом глазу ; при входе в темную комнату усиление зрения увеличивается за счет раскрытия радужной оболочки. В своей простейшей форме система АРУ ​​состоит из выпрямителя, который преобразует РЧ-сигнал в переменный уровень постоянного тока, и фильтра нижних частот для сглаживания колебаний и получения среднего уровня. Он применяется как управляющий сигнал к более раннему каскаду усилителя, чтобы управлять его усилением. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к усилителю ПЧ, и может быть второй контур АРУ для управления усилением усилителя ВЧ, чтобы предотвратить его перегрузку.

В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, связанной проблемой является смещение постоянного тока сигнала. Это исправляется аналогичной системой обратной связи.

История

Радиоволны были впервые обнаружены в серии экспериментов немецкого физика Генриха Герца 1887 года, чтобы доказать электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла. Компания Hertz использовала дипольные антенны с искровым возбуждением для генерации волн и микрометровые искровые промежутки, прикрепленные к дипольным и рамочным антеннам для их обнаружения. Эти примитивные устройства более точно описываются как датчики радиоволн, а не «приемники», поскольку они могут обнаруживать радиоволны только в пределах 100 футов от передатчика и используются не для связи, а как лабораторные инструменты в научных экспериментах.

Эпоха искр

Гульельмо Маркони, построивший первые радиоприемники, со своим ранним искровым передатчиком (справа) и когерерным приемником (слева) из 1890-х годов. Приемник записывает азбуку Морзе на бумажную ленту Общая блок-схема неусиленного радиоприемника из эпохи беспроводной телеграфии Пример трансатлантического радиотелеграфного сообщения, записанного на бумажной ленте сифонным записывающим устройством в RCA's New Йоркский приемный центр в 1920 году. Перевод азбуки Морзе приведен под лентой.

Первые радиопередатчики, использовавшиеся в течение первых трех десятилетий радио с 1887 по 1917 год, в период, называемый искрой эры были передатчики с искровым разрядником, которые генерировали радиоволны, разряжая емкость через электрическую искру. Каждая искра производила кратковременный импульс радиоволн, который быстро уменьшался до нуля. Эти затухающие волны нельзя было модулировать для передачи звука, как в современной передаче AM и FM. Таким образом, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию по радиотелеграфии. Передатчик быстро включался и выключался оператором с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы затухающих радиоволн разной длины («точки» и «тире») для написания текстовых сообщений кодом Морзе ..

Таким образом, первые радиоприемники не должны были извлекать звуковой сигнал из радиоволн, как современные приемники, а просто определяли наличие радиосигнала и выдавали звук во время «точек» и «тире». Устройство, которое это делало, называлось «детектор ». Поскольку в то время не существовало усиливающих устройств , чувствительность приемника в основном зависела от детектора. Было перепробовано много разных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из следующих частей:

  • антенна, чтобы перехватывать радиоволны и преобразовывать их в крошечные радиочастоты электрические токи.
  • A настроенная цепь, состоящая из конденсатора, подключенного к катушке с проводом, который действует как полосовой фильтр для выбора нужного сигнала из всех сигналов, улавливаемых антенной. Либо конденсатор, либо катушка регулировались, чтобы настроить приемник на частоту различных передатчиков. Самые ранние приемники, до 1897 года, не имели настроенных цепей, они реагировали на все радиосигналы, принимаемые их антеннами, поэтому у них была небольшая способность различать частоты и они принимали любой передатчик поблизости. В большинстве приемников используется пара настроенных цепей с катушками , магнитно связанными, которые называются резонансным трансформатором (колебательный трансформатор) или «свободным соединителем».
  • A детектор, который производит импульс постоянного тока для каждой принятой затухающей волны.
  • индикаторное устройство, такое как наушник, которое преобразует импульсы тока в звуковые волны. В первых приемниках вместо него использовался электрический звонок . Более поздние приемники в коммерческих беспроводных системах использовали сифонный самописец Морзе , который состоял из чернильной ручки, установленной на игле, вращаемой электромагнитом (гальванометром ), который рисовал линия на движущейся бумажной ленте. Каждая цепочка затухающих волн, составляющая «точку» или «черту» Морзе, заставляла стрелку качаться, создавая смещение линии, которое можно было прочитать с ленты. С таким автоматическим приемником радисту не нужно было постоянно контролировать приемник.

Сигнал от передатчика искрового промежутка состоял из затухающих волн, повторяющихся с частотой звукового сигнала, от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в В наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а «точки» и «тире» азбуки Морзе звучали как гудки.

Первым, кто использовал радиоволны для связи, был Гульельмо Маркони. Сам Маркони мало что изобрел, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практической средой связи, и в одиночку разработал первые системы беспроводной телеграфии, передатчики и приемники, начиная с 1894-1885 годов, в основном за счет совершенствования изобретенных технологий. другими. Оливер Лодж и Александр Попов также экспериментировали с аналогичным приемным устройством радиоволн в то же время в 1894-5, но, как известно, они не передавали азбуку Морзе во время этого период, просто цепочки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.

Приемник когерера

Когерер 1904 года, разработанный Маркони. Один из первых когерерных приемников Маркони, использованный в его демонстрации «черного ящика» в Тойнби-холле, Лондон, 1896 год. Когерер справа, с «ответвителем» сразу за ним. Реле слева, батарейки на заднем плане. Типичный коммерческий радиотелеграфный приемник первого десятилетия 20-го века. когерер (справа) обнаруживает импульсы радиоволн, а «точки» и «тире» кода Морзе были записаны чернилами на бумажной ленте сифонным самописцем (слева) и расшифровано позже.

Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливером Лоджем и Александром Поповым в 1894-56 годах, использовали примитивную радиоволну детектор, называемый когерером, изобретен в 1890 году Эдуардом Бранли и усовершенствован Лоджем и Маркони. Когерер представлял собой стеклянную трубку с металлическими электродами на каждом конце, с рыхлым металлическим порошком между электродами. Первоначально он имел высокое сопротивление . Когда на электроды подавалось высокочастотное напряжение, их сопротивление падало, и они проводили электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны, когерер был подключен в цепь DC с батареей и реле. Когда приходящая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включая реле, чтобы позвонить в звонок или сделать отметку на бумажной ленте в сифонном самописце . Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, необходимо было механически постучать по нему, чтобы вызвать возмущение металлических частиц. Это было сделано с помощью «декогерера» - хлопушки, ударяющей по трубке, с помощью электромагнита, питаемого от реле.

Когерер - малоизвестное старинное устройство, и даже сегодня существует некоторая неопределенность в отношении точного физического механизма, с помощью которого работали различные типы. Однако можно увидеть, что это было, по сути, бистабильное устройство, переключатель, управляемый радиоволнами, и поэтому у него не было возможности исправлять радиоволны на демодулировать более поздние амплитудно-модулированные (AM) радиопередачи, несущие звук.

В длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что с помощью приподнятого провода монопольной антенны вместо дипольных антенн Герца он мог передавать на большие расстояния, за пределы кривой Земли, демонстрируя, что радио - это не просто лабораторная диковинка, а коммерчески жизнеспособный метод связи. Кульминацией этого стала его историческая трансатлантическая беспроводная передача 12 декабря 1901 года из Poldhu, Корнуолл в St. John's, Ньюфаундленд, расстояние 3500 км (2200 миль), которое было получено когерером. Однако обычный диапазон приема когерера даже с мощными передатчиками той эпохи был ограничен несколькими сотнями миль.

Когерер оставался доминирующим детектором, использовавшимся в ранних радиоприемниках в течение примерно 10 лет, пока не был заменен кристаллическим детектором и электролитическим детектором примерно в 1907 году. опытно-конструкторские работы, это был очень грубый и неудовлетворительный прибор. Он был не очень чувствителен, а также реагировал на импульсный радиошум (RFI ), такой как включение или выключение ближайшего света, а также на заданный сигнал. Из-за громоздкого механического механизма «обратного отвода» скорость передачи данных кода Морзе была ограничена примерно 12-15 слов в минуту, в то время как передатчик искрового разрядника мог передавать данные Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с машина для изготовления бумажной ленты.

Другие ранние детекторы

Эксперимент по использованию человеческого мозга в качестве детектора радиоволн, 1902 год

Плохая работа когерера послужила поводом для проведения большого количества исследований по поиску более совершенных детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы какие-то странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьих лапок и даже человеческого мозга из трупа в качестве детекторов.

К первым годам 20-го века эксперименты по использованию производилась амплитудная модуляция (AM) для передачи звука по радио (радиотелефония ). Таким образом, второй целью исследования детекторов было найти детекторы, которые могли бы демодулировать AM-сигнал, извлекая аудио (звуковой) сигнал из радио несущей. Методом проб и ошибок было обнаружено, что это может быть сделано с помощью детектора, показывающего «асимметричную проводимость»; устройство, которое проводило ток в одном направлении, но не в другом. Этот выпрямляет радиосигнал переменного тока, удаляя одну сторону несущих циклов, оставляя пульсирующий постоянный ток, амплитуда которого изменяется в зависимости от сигнала звуковой модуляции. Применительно к наушнику он воспроизводит передаваемый звук.

Ниже приведены детекторы, которые широко использовались до того, как примерно в 1920 году появились электронные лампы. Все, кроме магнитного детектора, могли выпрямлять и, следовательно, принимать AM-сигналы:

Магнитный детектор
  • Магнитный детектор - Разработанное Гульельмо Маркони в 1902 году на основе метода, изобретенного Эрнестом Резерфордом и использовавшегося компанией Marconi Co. до тех пор, пока в 1912 году она не приняла вакуумную лампу Audion, это было механическое устройство, состоящее из бесконечной ленты из железных проволок, проходящих между двумя шкивами, вращающимися с помощью намоточного механизма. Стальные проволоки пропущены через катушку из тонкой проволоки, прикрепленную к антенне, в магнитном поле , созданном двумя магнитами . Гистерезис утюга индуцировал импульс тока в сенсорной катушке каждый раз, когда радиосигнал проходил через возбуждающую катушку. Магнитный детектор использовался в корабельных приемниках из-за его нечувствительности к вибрации. Один был частью беспроводной станции RMS Titanic, которая использовалась для вызова помощи во время его знаменитого затопления 15 апреля 1912 года.
Электролитический детектор Ранний клапан Флеминга. Приемник клапана Маркони для использования на кораблях имел два клапана Флеминга (вверху) на случай, если один перегорит. Он использовался на RMS Titanic.
  • Термоэлектронный диод (Клапан Флеминга ) - Первый va Трубка cuum, изобретенная в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом, состояла из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: катод, состоящий из горячей проволоки нити накала аналогично лампе накаливания и металлической пластине аноду. Флеминг, консультант Маркони, изобрел клапан как более чувствительный датчик для трансатлантического беспроводного приема. Нить накала нагревалась отдельным током через нее и испускала электроны в трубку за счет термоэлектронной эмиссии, эффекта, который был обнаружен Томасом Эдисоном. Радиосигнал подавался между катодом и анодом. Когда анод был положительным, ток электронов протекал от катода к аноду, но когда анод был отрицательным, электроны отталкивались, и ток не протекал. Клапан Флеминга использовался в ограниченных масштабах, но не пользовался популярностью, потому что он был дорогим, имел ограниченный срок службы нити и не был таким чувствительным, как электролитические или кристаллические детекторы.
Детектор усов галенита из кристалла радиоприемника 1920-х годов
  • Кристаллический детектор (детектор кошачьих усов ) - изобретен примерно в 1904-1906 годах Генри Х.К. Данвуди и Гринлиф Уиттиер Пикард на основе Карла Фердинанда Брауна в 1874 году. открытие «асимметричной проводимости» в кристаллах, эти детекторы были наиболее успешными и широко использовавшимися до эры электронных ламп и дали название кристаллическому радиоприемнику (см. ниже). Одно из первых полупроводниковых электронных устройств, детектор кристаллов состоял из гальки размером с горошину кристаллического полупроводникового минерала, такого как галенит (сульфид свинца ), поверхность которого касался тонкой пружинящей металлической проволоки, закрепленной на регулируемой руке. Он функционировал как примитивный диод , который проводил электрический ток только в одном направлении. В дополнение к их использованию в кристаллических радиоприемниках, кристаллические детекторы карборунда также использовались в некоторых ранних радиоприемниках с электронными лампами, поскольку они были более чувствительны, чем ламповые сеточные детекторы утечек.

. В эпоху, когда термин "детектор" изменился с обозначения детектора радиоволн на демодулятор, устройство, которое могло извлекать звуковой сигнал модуляции из радиосигнала. В этом его значение сегодня.

Настройка

«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настроенной схемы, детектор подключали напрямую между антенной и землей. Из-за отсутствия каких-либо частотно-селективных компонентов, кроме антенны, полоса пропускания приемника была равна широкой полосе пропускания антенны. Это было приемлемо и даже необходимо, потому что первые искровые передатчики Герца также не имели настроенной схемы. Из-за импульсивного характера искры энергия радиоволн распределялась по очень широкой полосе частот. Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.

Когда более одного искрового передатчика излучали в данной области, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искаженному приему. Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, какой сигнал передатчика принимать. Множественные длины волн, создаваемые плохо настроенным передатчиком, вызвали «затухание» или затухание сигнала, что значительно уменьшило мощность и дальность передачи. В 1892 году Уильям Крукс прочитал лекцию по радио, в которой он предложил использовать резонанс для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приемников. Затем разные передатчики могут быть «настроены» для передачи на разных частотах, чтобы они не создавали помех. Приемник также имел бы резонансный контур (настроенный контур) и мог бы принимать конкретную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента для резонанса с другим.. Это система, используемая во всех современных радио.

Настройка использовалась в первоначальных экспериментах Герца, и практическое применение настройки обнаружилось в начале и середине 1890-х годов в беспроводных системах, не предназначенных специально для радиосвязи. Лекция Николы Тесла в марте 1893 года, демонстрирующая беспроводную передачу энергии для освещения (в основном, за счет того, что он считал заземлением), включала элементы настройки. Система беспроводного освещения состояла из заземленного резонансного трансформатора с искровым возбуждением и проволочной антенны, которая передавала мощность через комнату на другой резонансный трансформатор, настроенный на частоту передатчика, который зажигал трубку Гейсслера. Использование настройки в свободном пространстве «волны Герца» (радио) было объяснено и продемонстрировано в лекциях Оливера Лоджа 1894 года о работе Герца. В то время Лодж демонстрировал физику и оптические качества радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разработку методов (запатентованных в 1897 году) настройки радио (то, что он называл «синтонией»), включая использование переменных индуктивность для настройки антенн.

К 1897 году преимущества настроенных систем стали очевидны, и Маркони и другие исследователи беспроводной связи включили настроенные схемы, состоящие из конденсаторов и индукторы соединены вместе, в их передатчики и приемники. Настроенная схема действовала как электрический аналог камертона . Он имел высокое импеданс на своей резонансной частоте, но низкий импеданс на всех других частотах. Подключенный между антенной и детектором, он служил полосовым фильтром , передавая сигнал нужной станции детектору, но направляя все остальные сигналы на землю. Частота принимаемой станции f определялась емкостьюиндуктивностью Lв настроенной цепи:

f = 1 2 π LC {\ displaystyle f = {1 \ над 2 \ р {\ SQRT {LC}}} \}{\ displaystyle f = {1 \ over 2 \ pi {\ sqrt {LC}}} \,}
Индуктивная связь
с индуктивно связанной когерер приемник Маркони от его противоречивого апреля 1900 года "четыре цепи" патента нет. 7,777. Приемный трансформатор Braun с 1904 года Кристаллический приемник с 1914 года с настроечным трансформатором со свободным соединением. Вторичная обмотка (1) может быть сдвинута внутрь или наружу первичной (в коробке) для регулировки муфты. Другие компоненты: (2) первичный настроечный конденсатор, (3) вторичный настроечный конденсатор, (4) нагрузочная катушка, (5) кварцевый детектор, (8) наушники

Для подавления радиошума и помех от других передатчиков, близких по частоте к желаемой станции, полосовой фильтр (настроенная схема) в приемнике должен иметь узкую полосу, пропускающую только узкую полосу частот. Полосовой фильтр, который использовался в первых приемниках и который продолжал использоваться в приемниках до недавнего времени, представлял собой двойную настройку индуктивно-связанную цепь или резонансный трансформатор ( трансформатор колебаний или радиочастотный трансформатор). Антенна и земля были подключены к катушке с проводом, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором поперек нее, которая была подключена к детектору. Переменный высокочастотный ток от антенны через первичную катушку создает магнитное поле , которое индуцирует ток во вторичной катушке, питающей детектор. И первичная, и вторичная цепи были настроены; первичная катушка резонирует с емкостью антенны, в то время как вторичная катушка резонирует с конденсатором на ней. Оба были настроены на одинаковую резонансную частоту.

. Эта схема имела два преимущества. Один из них заключался в том, что при использовании правильного коэффициента передачи импеданс антенны можно было согласовать с импедансом приемника для передачи максимальной РЧ-мощности на приемник. Согласование импеданса было важно для достижения максимального диапазона приема в неусиленных приемниках той эпохи. Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Вторым преимуществом было то, что из-за "слабой связи" он имел гораздо более узкую полосу пропускания, чем простая настроенная схема, и ее можно было регулировать. В отличие от обычного трансформатора, две катушки были «слабо связаны»; физически отделены, поэтому не все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную обмотку, уменьшая взаимную индуктивность. Это дало связанным настроенным схемам намного более "резкую" настройку, более узкую полосу пропускания, чем у одиночной настроенной схемы. В свободном соединителе типа "Navy" (см. Рисунок), широко используемом с кварцевыми приемниками , меньшая вторичная катушка была установлена ​​на стойке, которую можно было вставлять или выдвигать из первичной катушки, чтобы изменять взаимная индуктивность между катушками. Когда оператор сталкивается с мешающим сигналом на соседней частоте, вторичный может выдвигаться дальше от первичного, уменьшая связь, что сужает полосу пропускания и отклоняет мешающий сигнал. Недостатком было то, что все три регулировки в свободном соединителе - первичная настройка, вторичная настройка и связь - были интерактивными; изменение одного изменило другие. Таким образом, настройка на новую станцию ​​представляла собой процесс последовательных корректировок.

Избирательность стала более важной, так как искровые передатчики были заменены передатчиками непрерывной волны, которые передавали в узком диапазоне частот, а радиовещание привело к распространению близко расположенных радиостанций, заполняющих радиоспектр. Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосовых фильтров в ламповых радиоприемниках, и были изобретены новые формы, такие как вариометр. Еще одним преимуществом трансформатора с двойной настройкой для приема AM было то, что при правильной настройке он имел "плоскую вершину" частотной характеристики в отличие от "пикового" отклика одиночной настроенной схемы. Это позволяло пропускать боковые полосы AM-модуляции по обе стороны от несущей с небольшим искажением, в отличие от одиночной настроенной схемы, которая ослабляла более высокие звуковые частоты. До недавнего времени полосовые фильтры в супергетеродинных схемах, используемых во всех современных приемниках, были сделаны с резонансными трансформаторами, называемыми IF-трансформаторами.

Патентные споры

Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, ограничивающую диапазон и добавляющую к вмешательству. Чтобы преодолеть этот недостаток, он разработал четырехконтурную систему с настроенными катушками в «синтоне» как на передатчиках, так и на приемниках. Его патент на тюнинг в Британии 1900 года №7777 (четыре семерки), поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь для патентных споров, поскольку он нарушал синтонные патенты Оливера Лоджа, впервые поданные в мае 1897 года, а также патенты, поданные Фердинанд Браун. Маркони смог получить патенты в Великобритании и Франции, но американская версия его патента на настроенные четыре схемы, поданного в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на основании того, что ее ожидала система настройки Лоджа, а перекомпонованные версии были отклонены из-за предыдущих патентов. компании Braun и Lodge. Дальнейшие разъяснения и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, полученных Тесла на свою систему беспроводной передачи энергии. Юристам Маркони удалось добиться пересмотра повторно поданного патента другим экспертом, который первоначально отклонил его из-за ранее существовавшего патента на тюнинг John Stone Stone, но в конце концов он был одобрен в июне 1904 года на основании уникальной системы. настройки переменной индуктивности, отличавшейся от настройки Стоуна, которая настраивалась путем изменения длины антенны. Когда патент Лоджа Syntonic был продлен в 1911 году еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив радиокомпанию Лоджа с ее патентом в 1912 году, предоставив им необходимый приоритетный патент. С годами возникнут и другие патентные споры, в том числе решение Верховного суда США 1943 года о способности компаний Marconi подать в суд на правительство США за нарушение патентных прав во время Первой мировой войны. Суд отклонил иск Marconi Companies, заявив, что они могут не предъявлять иск о нарушении патентных прав, когда их собственные патенты не имели приоритета над патентами Лоджа, Стоуна и Теслы.

Радиоприемник на кристалле

До 1920 года кристаллический приемник был основным типом, используемым на станциях беспроводной телеграфии, и были изготовлены сложные модели, такие как Marconi Type 106 1915 года. Семья слушала первые радиопередачи около 1920 года с кварцевым приемником. Мать и отец должны использовать один наушник. После появления ламповых приемников примерно в 1920 году кристаллический набор стал простой дешевой альтернативой радио, используемой молодежью и бедными. Простое кристаллическое радио. Емкость проволочной антенны, подключенной к катушке, служит конденсатором в настроенной схеме. Типичная радиосхема на кристалле с "слабым соединением"

Хотя он был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, кварцевый радиоприемник мог также исправляли передачи AM и служили мостом в эру вещания. Помимо того, что это был основной тип, используемый на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, это был первый приемник, который широко использовался населением. В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать голос AM (радиотелефония ) вместо радиотелеграфии, прослушивание радио стало популярным хобби, а кристалл стал самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, купивших или сделавших сами эти недорогие надежные приемники, создали массовую аудиторию для первых радиопередач, которые начались примерно в 1920 году. К концу 1920-х годов кристаллический приемник был вытеснен приемниками на электронных лампах и стал коммерческим. устаревший. Однако он продолжал использоваться молодежью и бедняками до Второй мировой войны. Сегодня эти простые радиоприемники конструируются студентами как образовательные научные проекты.

Кристаллическое радио использовало детектор кошачьих усов, изобретенный Харрисоном Х.С. Данвуди и Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1904 году, для извлечения звука из радиочастотного сигнала. Он состоял из минерального кристалла, обычно галенита, который слегка касался тонкой пружинящей проволоки («кошачий ус») на регулируемой руке. Полученный грубый полупроводниковый переход функционировал как диод с барьером Шоттки, проводящий только в одном направлении. Только определенные участки на поверхности кристалла работали как переходы детектора, и соединение могло быть нарушено малейшей вибрацией. Таким образом, пригодный для использования сайт был найден методом проб и ошибок перед каждым использованием; оператор водил кошачьим усом по кристаллу, пока не заработало радио. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:

Такая изменчивость, граничащая с тем, что казалось мистическим, преследовала раннюю историю кристаллических детекторов и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения рассматривать искусство выпрямления кристаллов как

Кристаллическое радио не было усилено и потребляло энергию радиоволн, полученных от радиостанции, поэтому его приходилось слушать через наушники ; он не мог управлять громкоговорителем . Для этого требовалась антенна с длинным проводом, и ее чувствительность зависела от размера антенны. В эпоху беспроводной связи он использовался в коммерческих и военных длинноволновых станциях с огромными антеннами для приема радиотелеграфного трафика на большие расстояния, даже включая трансатлантический. Однако при использовании для приема радиостанций типичный домашний комплект кристаллов имел более ограниченный диапазон. около 25 миль. В сложных кварцевых радиоприемниках для увеличения Q использовалась индуктивно-настроенная схема «свободная связь». Однако он все еще имел низкую селективность по сравнению с современными приемниками.

Гетеродинный приемник и BFO

Радиоприемник с «тиккером» Поульсена, состоящим из диска коммутатора , вращаемого двигателем, чтобы

Примерно с 1905 года передатчики непрерывной волны (CW) начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, потому что они имели гораздо больший диапазон. Первыми передатчиками непрерывного излучения были дуга Поульсена, изобретенная в 1904 году, и генератор переменного тока Alexanderson, разработанный в 1906-1910 годах, которые были заменены ламповыми передатчиками примерно в 1920 году.

Сигналы непрерывной радиотелеграфии, создаваемые этими передатчиками, требовали другого метода приема. Радиотелеграфные сигналы, создаваемые передатчиками с искровым разрядником, состояли из цепочек затухающих волн, повторяющихся со скоростью звука, поэтому «точки» и «тире» кода Морзе были слышны в наушниках приемников в виде тонального сигнала или гудения.. Однако новые непрерывные радиотелеграфные сигналы просто состояли из импульсов немодулированной несущей (синусоидальных волн ). Их не было слышно в наушниках приемника. Чтобы получить этот новый тип модуляции, приемник должен был издавать какой-то тон во время импульсов несущей.

Первым грубым устройством, сделавшим это, был тиккер, изобретенный в 1908 году Вальдемаром Поульсеном. Это был вибрационный прерыватель с конденсатором на выходе тюнера, который служил элементарным модулятором, прерывая несущую со скоростью звука, тем самым создавая гудение в наушниках, когда несущая была настоящее время. Аналогичным устройством было «тональное колесо», изобретенное Рудольфом Гольдшмидтом, колесо, вращаемое двигателем с контактами, расположенными по его окружности, которые контактировали с неподвижной щеткой.

Схема гетеродинного радиоприемника Фессендена

В 1901 Реджинальд Фессенден изобрел лучшее средство для достижения этой цели. В его гетеродинном приемнике немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте fOсмещения от входящей несущей радиоволн fCподавался на выпрямительный детектор, такой как кристаллический детектор или электролитический детектор, вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешиваются, создавая две новые гетеродинные (биения ) частоты на сумме fC+ fOи разности fC− fOмежду этими частотами. При правильном выборе fOнижний гетеродин fC− fOнаходился в диапазоне звуковой частоты, поэтому он был слышен как тональный сигнал в наушниках всякий раз, когда присутствует несущая. Таким образом, «точки» и «тире» кода Морзе были слышны как музыкальные «гудки». Основным преимуществом этого метода во время этого периода предварительного усиления было то, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, детектор имел «коэффициент усиления смесителя».

Приемник опередил свое время, потому что когда он был изобретен не было генератора, способного генерировать синусоидальную волну fOрадиочастоты с требуемой стабильностью. Фессенден сначала использовал свой большой радиочастотный генератор переменного тока, но это было непрактично для обычных приемников. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн, ламповый электронный генератор, изобретенный Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером в 1913 году. После этого он стал стандартным методом приема CW радиотелеграфии. Гетеродинный генератор является предком генератора частоты биений (BFO), который сегодня используется для приема радиотелеграфии в приемниках связи. Гетеродинный генератор приходилось перенастраивать каждый раз, когда приемник настраивался на новую станцию, но в современных супергетеродинных приемниках сигнал BFO бьет с фиксированной промежуточной частотой, поэтому генератор частоты биений может быть фиксированной частотой.

Армстронг позже использовал гетеродинный принцип Фессендена в своем супергетеродинном приемнике (см. Ниже).

Эпоха электронных ламп

В отличие от сегодняшнего дня, когда почти все радиоприемники используют вариацию супергетеродинной конструкции, в радиолампах 1920-х годов использовали различные конкурирующие схемы. Во время «Золотого века радио » (с 1920 по 1950 год) семьи собирались вечером послушать домашнее радио, например, эту консоль Zenith модели 12- S-568 с 1938 года, 12-ламповый супергетеродин с кнопочной настройкой и 12-дюймовым коническим динамиком.

Audion (триод ) электронная лампа изобретена Ли Де Форест в 1906 году был первым практическим усилительным устройством и произвел революцию в радио. Вакуумные ламповые передатчики заменили искровые передатчики и сделали возможным четыре новых типа модуляции : непрерывная волна (CW) радиотелеграфия, амплитудная модуляция (AM) примерно в 1915 году, которая могла нести аудио (звук), частотная модуляция (FM) примерно в 1938 году, что значительно улучшило качество звука, и однополосная (SSB).

В усилительной вакуумной лампе для увеличения мощности радиосигнала использовалась энергия от батареи или электрической розетки, поэтому ламповые приемники могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие неусиленные приемники. Увеличенная выходная мощность звука также позволила им подключить громкоговорители вместо наушников, что позволило более чем одному человеку слушать. Первые громкоговорители были произведены примерно в 1915 году. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио быстро превратилось из уединенного хобби в популярное социальное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудной модуляции (AM) и передатчиков на электронных лампах во время Первой мировой войны, а также наличие дешевых приемных ламп после войны подготовили почву для начала AM-радиовещания, которые возникли спонтанно около 1920 года.

Появление радиовещания значительно увеличило рынок радиоприемников и превратило их в потребительский продукт. В начале 20-х годов прошлого века радиоприемник представлял собой устрашающее высокотехнологичное устройство с множеством загадочных ручек и органов управления, требующих технических навыков для работы, помещенным в непривлекательный черный металлический ящик с металлическим рупорным громкоговорителем. К 1930-м годам радиоприемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус, со стандартными элементами управления, которые мог использовать любой, и занимал уважаемое место в домашней гостиной. В ранних радиостанциях несколько настроенных схем требовали настройки нескольких ручек для настройки на новую станцию. Одним из наиболее важных нововведений, упрощающих использование, была «настройка с помощью одной ручки», достигаемая путем механического соединения настроечных конденсаторов. динамический конический громкоговоритель, изобретенный в 1924 году, значительно улучшил частотную характеристику звука по сравнению с предыдущими рупорными громкоговорителями, что позволило воспроизводить музыку с хорошей точностью. Были добавлены такие удобные функции, как большие диски с подсветкой, регуляторы тембра, кнопочная настройка, индикаторы настройки и автоматическая регулировка усиления (AGC). Рынок приемников был разделен на вышеупомянутые приемники вещания и приемники связи, которые использовались для двусторонней радиосвязи, например, коротковолнового радио.

Требуется ламповый приемник несколько источников питания на разное напряжение, которые в ранних радиостанциях питались от отдельных батарей. К 1930 году были разработаны соответствующие выпрямительные лампы, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, который работал от бытового тока.

Вакуумные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потреблял большое количество энергии и производил много отработанного тепла, поэтому количество трубок, которые мог иметь приемник, было ограничивающим фактором. Таким образом, цель конструкции трубчатого приемника заключалась в том, чтобы получить максимальную производительность от ограниченного числа ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.

Недостатком многих ранних ламповых приемников было то, что каскады усиления могли колебаться, действовать как генератор, создавая нежелательные переменные радиочастотные токи. Эти паразитные колебания смешиваются с несущей радиосигнала в детекторной трубке, создавая слышимые биения нот (гетеродины ); раздражающие свистки, стоны и завывания в динамике. Колебания были вызваны обратной связью в усилителях; одним из основных путей обратной связи была емкость между пластиной и сеткой в ​​ранних триодах. Эта проблема была решена с помощью схемы нейтродина, а затем разработки тетрода и пентода около 1930 года.

Эдвин Армстронг - один из наиболее важные фигуры в истории радиоприемников, и в этот период была изобретена технология, которая продолжает доминировать в радиосвязи. Он был первым, кто правильно объяснил, как работает триодная лампа Де Фореста. Он изобрел генератор обратной связи, регенеративный приемник, суперрегенеративный приемник, супергетеродинный приемник и современную частотную модуляцию <456.>(FM).

Первые ламповые приемники

Первый коммерческий ресивер Audion от De Forest, RJ6, выпущенный в 1914 году. Трубка Audion всегда монтировалась вверх дном, с тонкой петлей из нити, свисавшей вниз, чтобы она не провисала и не касалась другие электроды в лампе. Пример однолампового триодного сеточного приемника утечки из 1920 г., первый тип усиливающего радиоприемника. В цепи утечки через сетку электроны, притягиваемые к сетке во время положительных полупериодов радиосигнала, заряжают конденсатор сетки отрицательным напряжением в несколько вольт, смещая сетку около ее напряжения отсечки, поэтому лампа проводит только в течение положительных полупериодов, выпрямляя носитель.

Первая усиливающая вакуумная лампа, Audion, грубый триод, был изобретен в 1906 году Ли Де Форест как более чувствительный детектор для радиоприемников путем добавления третьего электрода к термоэмиссионному диодному детектору, клапану Флеминга.. Он не получил широкого распространения до тех пор, пока его способность усиливать не была признана примерно в 1912 году. Первые ламповые приемники, изобретенные Де Форестом и построенные любителями до середины 1920-х годов, использовали один Audion, который функционировал как сетка. -детектор утечки, который как выпрямлял, так и усиливал радиосигнал. Существовала неопределенность в отношении принципа работы Audion до тех пор, пока Эдвин Армстронг не объяснил его функции усиления и демодуляции в статье 1914 года. Схема сеточного течеискателя также использовалась в регенеративном, TRF и ранних супергетеродинных приемниках (ниже) до 1930-х годов.

Чтобы обеспечить выходную мощность, достаточную для работы громкоговорителя, потребовалось 2 или 3 дополнительных каскада Audion для усиления звука. Многие первые любители могли позволить себе только один ламповый приемник и слушали радио в наушниках, поэтому ранние ламповые усилители и динамики продавались как дополнительные устройства.

В дополнение к очень низкому усилению около 5 и короткому сроку службы около 30-100 часов, примитивный Audion имел нестабильные характеристики, потому что он был не полностью откачан. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха была ключом к работе Audion. Это сделало его более чувствительным детектором, но также привело к изменению его электрических характеристик во время использования. Когда трубка нагревается, газ, выделяющийся из металлических элементов, изменяет давление в трубке, изменяя ток пластины и другие характеристики, поэтому требовалось периодическое регулирование смещения, чтобы поддерживать его в правильной рабочей точке. Каждый каскад Audion обычно имел реостат для регулировки тока накала, и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением пластины. Реостат с нитью также использовался в качестве регулятора громкости. Множество элементов управления усложняли эксплуатацию многотрубных ресиверов Audion.

К 1914 году Гарольд Арнольд из Western Electric и Ирвинг Ленгмюр из GE понял, что остаточный газ не нужен; Audion мог работать только на электронной проводимости. Они вакуумировали трубки до более низкого давления - 10 атм, создав первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные лампы не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше элементов управления и были проще в эксплуатации. Во время Первой мировой войны использование радио в гражданских целях было запрещено, но к 1920 году началось крупномасштабное производство ламповых радиоприемников. «Мягкие» не полностью откачанные трубки использовались в качестве детекторов в течение 1920-х годов, а затем стали устаревшими.

Регенеративный (автодинный) ресивер

Блок-схема регенеративного ресивера Схема однотрубного регенеративного ресивера Армстронга Самодельный регенеративный ресивер Армстронг, 1922 год. На передней панели видна «тиклерная» катушка (L3), соединенный с входными катушками настройки. Коммерческий регенеративный приемник начала 1920-х, Paragon RA-10 (в центре) с отдельным одноламповым РЧ-усилителем 10R (слева), трехламповым детектором DA-2 и двухкаскадным усилителем звука блок (справа). Четыре цилиндрических батареи типа «А» с сухими элементами (справа сзади) питали нити трубок, а 2 батареи прямоугольной формы «В» обеспечивали напряжение пластины. Самодельный одноламповый регенеративный приемник Армстронга 1940-х годов. Катушка тиклера представляет собой обмотку вариометра, установленную на валу внутри настроечной катушки (вверху справа), которую можно вращать с помощью ручки на передней панели.

регенеративный приемник, изобретенный Эдвином. Армстронг в 1913 году, когда он был 23-летним студентом колледжа, очень широко использовался до конца 1920-х годов, особенно любителями, которые могли позволить себе только одноламповый радиоприемник. Сегодня транзисторные версии схемы все еще используются в нескольких недорогих приложениях, таких как рации . В регенеративном приемнике усиление (усиление) вакуумной лампы или транзистора увеличивается за счет использования регенерации (положительная обратная связь ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с помощью контура обратной связи . Первые электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация может не только значительно увеличить усиление лампы в 15000 раз или более, но и увеличить добротность настроенной схемы, уменьшая (повышая резкость) ширину полосы приемник с тем же коэффициентом, значительно улучшая избирательность. Приемник имел регулятор для настройки обратной связи. Трубка также действовала как детектор утечки сетки для выпрямления AM-сигнала.

Еще одним преимуществом схемы было то, что трубку можно было заставить колебаться, и, таким образом, одна трубка могла служить и как генератор частоты биений, и как детектор, функционирующий как гетеродинный приемник, обеспечивающий слышимость радиотелеграфных передач CW . Этот режим был назван приемником автодина . Для приема радиотелеграфии обратная связь была увеличена до тех пор, пока трубка не начала колебаться, затем частота колебаний была настроена на одну сторону передаваемого сигнала. Поступающий радиосигнал несущий и сигнал локальных колебаний смешиваются в трубке и создают слышимый гетеродин (биение) тон на разности частот.

Широко использовавшаяся конструкция была схемой Армстронга, в которой «тиклерная» катушка в цепи пластины была соединена с катушкой настройки в цепи сетки, чтобы обеспечить обратную связь. Обратная связь контролировалась переменным резистором или, поочередно, перемещением двух обмоток физически ближе друг к другу, чтобы увеличить усиление контура, или раздельно, чтобы уменьшить его. Это было сделано с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометром (вариопара). Регенеративные детекторы иногда также использовались в приемниках TRF и супергетеродинных.

Одна проблема с регенеративной схемой заключалась в том, что при использовании с большим количеством регенерации селективность (Q) настроенной схемы могла быть слишком резкой, ослабляя боковые полосы AM, таким образом искажая модуляцию звука. Обычно это был ограничивающий фактор количества обратной связи, которую можно было использовать.

Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренный радиопередатчик, создавая помехи (RFI ) в ближайших приемниках. При приеме AM, чтобы получить максимальную чувствительность, трубка работала очень близко к нестабильности и могла легко перейти в колебания (а при приеме CW колебалась), и результирующий радиосигнал излучался проволочной антенной. В соседних приемниках сигнал регенерации будет биться с сигналом станции, принимаемым детектором, создавая раздражающие гетеродины, (удары ), завывания и свистки. Ранние регенеративы, которые легко колебались, назывались «ляпами» и были запрещены в Европе. Одной из превентивных мер было использование каскада РЧ-усиления перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны. Но к середине 1920-х годов «регены» больше не продавались крупными производителями радиоприемников.

Суперрегенеративный приемник

Армстронг представляет свой суперрегенеративный приемник, 28 июня 1922 года, Колумбийский университет

Это был приемник, изобретенный Эдвин Армстронг в 1922 году, который использовал регенерацию более изощренным способом, чтобы получить больший выигрыш. Он использовался в нескольких коротковолновых приемниках в 1930-х годах, а сегодня используется в нескольких дешевых высокочастотных устройствах, таких как рации и устройства открывания гаражных ворот.

В регенеративном приемнике коэффициент усиления петли обратной связи был меньше единицы, поэтому лампа (или другое усилительное устройство) не колебалась, но была близка к колебанию, давая большой коэффициент усиления. В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство действительно начинало колебаться, но колебания периодически прерывались. Это позволило одной лампе производить усиление более 10.

TRF-приемник

Ранний 6-ламповый TRF-приемник примерно с 1920 года. 3 большие ручки регулируют 3 настроенных контура для настройки на станции TRF-приемник Atwater-Kent из 1920-х годов с двумя ВЧ-каскадами (слева), детектором и двумя лампами усилителя звука (справа). Громкоговоритель состоит из наушника, соединенного с акустическим рупором, который усиливает звук. Настройка приемника Neutrodyne TRF с 3 настроенными контурами (большие ручки), 1924. Для каждой станции необходимо было записать порядковые номера на циферблатах, так что что станцию ​​можно снова найти.

настроенный радиочастотный (TRF) приемник, изобретенный в 1916 году Эрнстом Александерсоном, улучшил как чувствительность, так и избирательность за счет использования нескольких каскадов усиления перед детектором, каждый с настроенной схемой, все настроены на частоту станции.

Основная проблема ранних приемников TRF заключалась в том, что они были сложны в установке Настройтесь, потому что каждый резонансный контур должен был быть настроен на частоту станции, прежде чем радио заработало. В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были связаны друг с другом механически («объединены») на общем валу, так что их можно было регулировать с помощью одной ручки, но в ранних приемниках нельзя было заставить частоты настроенных цепей «отслеживать» достаточно хорошо, чтобы позволяли это, и каждая настроенная схема имела свою ручку настройки. Поэтому ручки нужно было поворачивать одновременно. По этой причине в большинстве наборов TRF было не более трех настроенных РЧ-каскадов.

Вторая проблема заключалась в том, что несколько радиочастотных каскадов, все настроенные на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям, а паразитным колебания смешиваются с несущей радиостанции в детекторе, создавая в динамике слышимые гетеродины (удары нот), свист и стон. Эта проблема была решена изобретением схемы нейтродина (см. Ниже) и разработкой тетрода позже, примерно в 1930 году, а также улучшением экранирования между ступенями.

Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегрированные (IC) микросхемы приемника. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что усиление и полоса пропускания настроенных РЧ-каскадов не постоянны, а изменяются, когда приемник настроен на разные частоты. Так как полоса пропускания фильтра с заданным Q пропорциональна частоте, по мере того, как приемник настраивается на более высокие частоты, его полоса пропускания увеличивается.

Приемник Neutrodyne

Прототип приемника Neutrodyne от Hazeltine, представленный на 2 марта 1923 г. собрание Общества радио Америки в Колумбийском университете.

Приемник Neutrodyne, изобретенный в 1922 г. Луи Хазельтайном, представлял собой приемник TRF с "нейтрализующей" схемой, добавленной к каждому радиоусилителю. ступень, чтобы отменить обратную связь, чтобы предотвратить колебания, которые вызывали раздражающие свистки в TRF. В схеме нейтрализации конденсатор подавал ток обратной связи от схемы пластины к схеме сетки, который был на 180 ° сдвинут по фазе с обратной связью, которая вызывала колебание, подавляя его. Neutrodyne был популярен до появления дешевых ламп тетродов примерно в 1930 году.

Рефлекторный приемник

Блок-схема простого однотрубного рефлекторного приемника

Изобретен рефлекторный приемник В 1914 году Вильгельмом Шлёмильхом и Отто фон Бронком, а в 1917 году Мариусом Латуром и Уильямом Х. Приссом был переоткрыт и распространен на несколько ламп. Этот дизайн использовался в некоторых недорогих радиоприемниках 1920-х годов, который возродился в небольших портативных ламповых радиоприемниках. 1930-х и снова в нескольких первых транзисторных радиоприемниках 1950-х. Это еще один пример оригинальной схемы, изобретенной для получения максимальной отдачи от ограниченного числа активных устройств. В рефлекторном приемнике РЧ-сигнал от настроенной схемы проходит через одну или несколько усилительных трубок или транзисторов, демодулируется в детекторе, затем результирующий аудиосигнал снова проходит через тот же усилительные каскады для усиления звука. Отдельные радио и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они находятся на разных частотах, что позволяет лампам усиления выполнять «двойную функцию». Помимо одноламповых рефлекторных приемников, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько каскадов, "отраженных". Радиостанции Reflex были подвержены дефекту, называемому «сквозное воспроизведение», что означало, что громкость звука не снижалась до нуля при уменьшении громкости.

Супергетеродинный приемник

Первый супергетеродинный приемник, построенный в Сигнальном корпусе Армстронга лаборатория в Париже во время Первой мировой войны. Она состоит из двух секций: смесителя и гетеродина (слева), а также трех каскадов усиления ПЧ и детектора (справа). Промежуточная частота составляла 75 кГц. В 1940-х годах супергетеродинный приемник на электронных лампах был усовершенствован до дешевой в производстве формы под названием «All American Five », потому что для этого требовалось всего 5 ламп, а это было использовался почти во всех радиоприемниках до конца эры ламповых в 1970-х.

супергетеродин, изобретенный в 1918 году во время Первой мировой войны Эдвином Армстронгом Когда он служил в Корпусе связи, эта конструкция использовалась почти во всех современных приемниках, за исключением нескольких специализированных приложений. Это более сложная конструкция, чем у других вышеупомянутых приемников, и, когда она была изобретена, потребовалось от 6 до 9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому первоначально она использовалась в основном на коммерческих и военных станциях связи. Однако к 1930-м годам «супергет» заменил все остальные типы ресиверов, упомянутые выше.

В супергетеродине метод «гетеродина », изобретенный Реджинальдом Фессенденом, используется для смещения частоты радиосигнала до более низкого «промежуточного частота "(ЕСЛИ) перед обработкой. Его работа и преимущества перед другими радиотехническими устройствами в этом разделе описаны выше в разделе Супергетеродинный дизайн

К 1940-м годам супергетеродинный радиоприемник AM был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции под названием «Все American Five ", потому что в нем использовалось только пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор / усилитель звука, усилитель мощности звука и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически для всех коммерческих радиоприемников, пока транзистор не заменил лампу в 1970-х годах.

Эпоха полупроводников

Изобретение транзистора в 1947 году произвело революцию в радиотехнике, сделав возможными действительно портативные приемники, начиная с транзисторных радиоприемников в конце 1950-х годов. Несмотря на то, что портативные радиоприемники на электронных лампах были сделаны, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения нити и пластины. Транзисторы не требовали нагреваемой нити накала, что уменьшало энергопотребление, они были меньше и намного менее хрупкими, чем электронные лампы.

Портативные радиоприемники

Портативный радиоприемник на базе транзисторов Zenith

Компании впервые начали производство радиоприемников, рекламируемых как портативные, вскоре после начала коммерческого вещания в начале 1920-х годов. В подавляющем большинстве ламповых радиоприемников той эпохи использовались батареи, и их можно было установить и использовать где угодно, но у большинства из них не было таких портативных функций, как ручки и встроенные динамики. Одними из первых портативных ламповых радиоприемников были Winn «Portable Wireless Set No. 149», появившаяся в 1920 году, и Grebe Model KT-1, появившаяся годом позже. Кристаллические наборы, такие как Westinghouse Aeriola Jr. и RCA Radiola 1, также рекламировались как портативные радиоприемники.

Благодаря миниатюрным электронным лампам, впервые разработанным в 1940 году, на рынке появились портативные радиоприемники меньшего размера. от таких производителей, как Zenith и General Electric. Линия портативных радиостанций Zenith Trans-Oceanic, впервые представленная в 1942 году, была разработана для обеспечения развлекательных трансляций, а также для возможности настраиваться на погодные, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам «золотой век» портативных ламповых устройств включал в себя ламповые радиоприемники размером ланчбокса, такие как Emerson 560, в литых пластиковых корпусах. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактические размеры были совместимы только с самыми большими карманами пальто.

Разработка транзистора с биполярным переходом В начале 1950-х гг. лицензия была выдана ряду компаний-производителей электроники, таких как Texas Instruments, которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Regency TR-1, сделанный Regency Division I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) из Индианаполиса, штат Индиана, была основана в 1951 году. Затем последовала эра настоящих портативных радиоприемников размером с карман рубашки, с такими производителями, как Sony, Zenith, RCA, DeWald и Crosley предлагает различные модели. Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым серийным транзисторным радиоприемником, что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок.

Цифровые технологии

Современные смартфон имеет несколько RF CMOS цифровых радиопередатчиков и приемников для подключения к различным устройствам, включая сотовый приемник, беспроводной модем, Bluetooth модем и GPS-приемник.

Разработка микросхем интегральных схем (IC) в 1970-х годах произвела новую революцию, позволив радиоприемник для установки на микросхему. Микросхемы IC полностью изменили экономику радиотехники, используемой в ламповых приемниках. Поскольку предельные затраты на добавление дополнительных усилительных устройств (транзисторов) к микросхеме были практически нулевыми, размер и стоимость приемника зависели не от количества используемых активных компонентов, а от пассивных компонентов; катушки индуктивности и конденсаторы, которые нельзя было легко встроить в микросхему. Разработка микросхем RF CMOS, впервые разработанная Асадом Али Абиди в UCLA в 1980-х и 1990-х годах, позволила создавать маломощные беспроводные устройства.

Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровых схем на микросхеме для выполнения функций, которые ранее выполнялись аналоговыми схемами, для которых требуются пассивные компоненты. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются посредством цифровой обработки сигнала (DSP) на кристалле. Еще одно преимущество DSP заключается в том, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут быть динамически изменены программным обеспечением для реагирования на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно-определяемые радио или когнитивное радио.

. Многие функции, выполняемые аналоговой электроникой, вместо этого могут выполняться программным обеспечением.. Преимущество заключается в том, что на программное обеспечение не влияют температура, физические переменные, электронный шум и производственные дефекты.

Цифровая обработка сигналов позволяет использовать методы обработки сигналов, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом неосуществимыми с аналоговыми методами. Цифровой сигнал - это, по сути, поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через какой-либо носитель, такой как провод. Аппаратное обеспечение DSP может адаптировать полосу пропускания приемника к текущим условиям приема и типу сигнала. Типичный аналоговый приемник может иметь ограниченное количество фиксированных полос пропускания или только одну, но приемник DSP может иметь 40 или более индивидуально выбираемых фильтров. DSP используется в системах сотовых телефонов для снижения скорости передачи данных, необходимой для передачи голоса.

В системах цифрового радиовещания, таких как Digital Audio Broadcasting (DAB), аналоговый аудиосигнал оцифрован и сжат, обычно с использованием модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT) формата кодирования звука, такого как AAC +.

«PC-радио» или радио, которые предназначены для управления с помощью стандартного ПК управляются специализированным программным обеспечением ПК через последовательный порт, подключенный к радио. «Компьютерное радио» может вообще не иметь передней панели и может быть предназначено исключительно для компьютерного управления, что снижает стоимость.

Некоторые радиостанции для ПК имеют большое преимущество в том, что их владелец может модернизировать на месте. Новые версии микропрограммы DSP могут быть загружены с веб-сайта производителя и загружены во флэш-память радиостанции. Фактически, производитель может со временем добавлять в радиостанцию ​​новые функции, такие как добавление новых фильтров, подавление шума DSP или просто исправление ошибок.

Полнофункциональная программа радиоуправления обеспечивает сканирование и множество других функций и, в частности, интеграцию баз данных в режиме реального времени, например, возможность типа «TV-Guide». Это особенно полезно для определения местоположения всех передач на всех частотах конкретного вещателя в любой момент времени. Некоторые разработчики управляющего программного обеспечения даже интегрировали Google Earth в коротковолновые базы данных, так что можно «лететь» к заданному месту расположения передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, откуда исходит сигнал.

Поскольку графический интерфейс пользователя для радиомодуля имеет значительную гибкость, разработчик программного обеспечения может добавить новые функции. Функции, которые можно найти в современных программах управления, включают в себя таблицу диапазонов, элементы управления графическим интерфейсом, соответствующие традиционным элементам управления радио, локальные часы и часы UTC, измеритель мощности сигнала, базу данных для прослушивания коротких волн с возможностью поиска, возможность сканирования или интерфейс преобразования текста в речь.

Следующим уровнем интеграции является «программно-определяемая радиосвязь », где вся фильтрация, модуляция и обработка сигналов выполняются программно. Это может быть звуковая карта ПК или специальное оборудование DSP. Будет интерфейс RF для передачи промежуточной частоты программно определяемой радиостанции. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с "аппаратными" приемниками. Например, они могут записывать большие участки радиочастотного спектра на жесткий диск для «воспроизведения» позднее. Тот же SDR, который в одну минуту демодулирует простую трансляцию AM, также может декодировать трансляцию HDTV в следующую. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен развитию высокопроизводительной SDR.

Полностью цифровые радиопередатчики и приемники представляют возможность расширения возможностей радио.

См. Также

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Радиоприемники.
  • Радиопортал

Ссылки

Дополнительная литература

  • Приемники связи, третье издание, Ульрих Л. Роде, Джерри Уитакер, Макгроу Хилл, Нью-Йорк, 2001, ISBN 0-07-136121-9
  • Буга, Н.; Фалько А.; Чистяков Н.И. (1990). Чистяков Н.И. (ред.). Теория радиоприемника. Перевод с русского Б. В. Кузнецова. Москва : Мир Издательство. ISBN 978-5-03-001321-3 Впервые опубликовано на русском языке как «Радиоприёмные устройства»
Последняя правка сделана 2021-06-03 06:06:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте